维普资讯 http://www.cqvip.com 设计与研究 １５ 脉冲窄间隙ＭＩＧ焊焊机的研制 孙胜伟 孙永兴 范振红 蒋淑英 （中国石油大学机电工程学院，东营２５７０６１） 摘 要：介绍一种基于ＰＬＣ控制的脉冲窄间隙ＭＩＧ焊机的软硬件设计，专门设计了焊接机头，解决了传统 的窄间隙焊接时侧壁难以焊透的问题。研制的焊机表现出良好的稳定性、可靠性和适应性，具有焊接参数预置、 记忆、锁定、数显以及自动引孤、收弧等功能。 关键词：窄间隙焊机ＭＩＧ焊ＰＬＣ控制 焊接电源 ２．２基值电源 钻铤是石油钻井作业中最重要的钻具组合之一，在使 用过程中由于重复修螺纹而导致其长度逐渐减少，当其 长度短于８ｍ时，钻铤就要报废，不能继续在钻井中使用。 基值电源的作用是输出基值电流，预熔焊丝和维持电 弧燃烧。采用三相可控整流弧焊电源，具有下降外特性且 要使这些长度不够的钻铤恢复使用性能，对其进行焊接 加长是一种行之有效的方法。但钻铤属于小直径厚壁管， 焊接工艺比较复杂。对这种厚壁结构，采用手工焊难以保 动态性能好。主电路主要由三相变压器，带平衡电抗器双 反星形可控整流电路和滤波电抗器组成。控制电路主要 由三相同步变压器、同步触发电路，放大、比较、引弧电路 和拖动电路组成。 ２．３焊接机床 机床由１台管螺纹车床改装而成，主要改装了３部 证质量，生产效率也低，为此研究开发了适用于钻铤窄间 隙ＭＩＧ自动焊工艺的焊机。 设计中专门研制了基于ＰＬＣ的焊接控制设备、专用焊 ，设计焊接坡口，精选保护气体，确定焊接工艺，优选焊 接工艺参数。室内试验和现场应用表明，采用该工艺焊接 钻铤焊区的综合力学性能得到了较大改善。 １焊接的熔透问题的解决 分，第一是将主电动机由交流电动机更换为直流电动机， 使之能够无级调速。第二是通过改变主轴箱内齿轮机构 的传动比和主电动机带轮的传动比，将主轴的最低转速 由７．８ ｒ／ｍｉｎ调到了１ ｒ／ｍｉｎ以下。第三是加长了床身， 以便能够焊接足够长度的接头。 实现高质量、高可靠性的窄间隙焊并非易事，因为在 深而狭窄的坡口内进行电弧焊接，传统坡口下的传统工 艺技术难以保证焊接质量（尤其是冶金连续性方面）。由 ２．４电气及程序控制部分 包括程序控制器、主电动机控制器、送丝控制器、焊 提升控制器和焊层显示器５个部分。其控制元件采用ＰＬＣ 控制器，系统稳定性好。所有部件集中安装在控制柜和操 作盒内，操作盒置于焊接机床床身中部。在操作面板上装 有电源总控通断开关、试气开关、提升控制开关、保护气 体流量计、电流电压测量仪表、电流和转速调节器。另外， 还有手动启动、停止，焊升降，电动机正、反转，送丝与 退丝等按扭。 于传统技术（较大间隙和较大坡口面角）下的电弧轴线极 易实现与坡口面有较大夹角（有时甚至垂直），这样高熔 透能力、高能量密度的电弧中心区域就容易作用到坡口 面上，只要工艺规范与操作工艺得当，坡口面和焊道、焊 层间发生未熔合的几率极小。在窄间隙焊接条件下，若用 传统技术进行焊接，电弧轴线基本与坡口面（以下称侧 壁）平行，一般情况下连能量密度很低的电弧周边也难以 作用到坡口侧壁，更不用说能量密度最高的电弧中心了， 这套焊接智能控制系统由机械系统，硬件系统，以及 控制电路组成。机械部分设计主要包括行走机构、摆动机 这就导致了侧壁均匀熔合可靠性差（低线能量焊接时极 为突出）。这是窄间隙焊接的最大困难。为了解决这个问 题，专门设计了焊接机头。 ２焊接设备 构、提升机构、轨道等的设计。轨道采用刚性或（半）柔性 轨道，易于安装拆卸。焊接小车携带焊，通过行走电机 输出轴端的齿轮与轨道啮合，沿轨道运动进行焊接。摆动 电机通过丝杠以及套在丝杠上的套筒与焊连接，当摆 动电机正反转时，带动丝杠旋转，与丝杠连接的套筒将丝 杠的旋转运动转换成焊的左右摆动。在连续多层焊时， 焊接设备包括脉冲电源、基值电源、焊接机床、电器控 制及焊接机头５部分。 ２．１脉冲电源 焊接电源的作用是输出脉冲焊接电流，给焊接电弧提 每焊完一层焊道，升降电机自动将焊提升一定高度后， 焊机继续后层焊道的焊接。提升机构的传动机理与摆动 一供脉冲能量，实现脉冲可控喷射过渡、加热熔化。其结构 分主电路和控制电路２部分。主电路主要由变压器、主可 控硅等组成；控制电路由可控硅触发脉冲及其整形放大 电路、给定电压电路和网压波动补偿电路组成。 样，也是通过丝杠及套在丝杠上的滑块将电机的旋转 运动转换成焊的上下直线运动。送丝机构由送丝盘和 送丝电机组成，连接在焊接小车上，与焊接小车一起沿轨 维普资讯 http://www.cqvip.com １６ 现代制造技术与装备 ２００７第５期总第１８０期 道运行，这样焊接过程中送丝阻力较小，可以保证送丝过 程平稳。被焊构件通过轨道与焊接辅助器进行夹紧、定 位。控制系统实现小车行走、焊摆动、焊提升、送丝、 送气的协调运动。如图１所示。 摆动电机驱动 行走电机驱动 兰 提升电机驱动 器 兰 一 图１ ＰＩＧ控制系统原理 ２．５焊接机头 包括升降机构、焊丝输送机构及焊，通过电气控制 部分发出指令可实现送丝或退丝，焊提升或下降。焊 是为了解决在钻铤这种小直径厚壁管的焊接中存在深坡 口的气体保护和侧壁熔合两大技术难题而研制的。因为 普通焊的导电嘴不能伸人到坡口中，当进行厚壁零件 多层焊时，随着焊缝层数的增加，焊丝外伸长度必然发生 变化，这将导致焊接规范发生变化而影响焊接过程的稳 定性，也使引弧发生困难。焊结构如图２所示。焊的 导电嘴可伸人到坡口中，随着焊缝层数的增加，焊可通 过丝杠丝母传动机构提升，以保证多层焊每道焊缝的焊 丝伸出长度不变如图３所示。另外，喷入保护气体，提高 了电弧的稳定性，改善接头的力学性能和保持焊缝合理 成形。焊接工艺规范见表１。其中，底层小规范能够避免熔 池流淌；中间层大规范能够避免焊接缺陷，提高生产率； 表层小规范能够获得较好的表面成形。保护气体流量Ａｒ： ２２００Ｌ／ｈ；ＣＯ：：１２０Ｌ／ｈ。按表１调整各规范参数，引弧焊 接。在底层焊至约３／４圈时转入中间层焊接规范。在接 近表层（出现咬边前）转入表层焊接规范，直至焊满焊缝为 ｌ卜。 １．导丝管２，７．冷却水管３髁护气管４．绝缘支架 ５．内保护罩６冰冷外套８．冷却头９．导电杆１０．导流片１１．导电嘴 图２焊结构图 １．卡盘２．钻铤３．衬垫４．接头５．顶尖６．尾座 图３待焊钻铤和接头装夹示意图 表１焊接工艺规范 层数 脉冲电流 基值电流 送丝电压 旋转电压 电弧电压 Ｉ Ｉ Ｕ 厂ｖ Ｕ ＃ＩＶ Ｕ “厂ｖ 底层 １１０～１２０ ５５ １６～１８ ５０ ２１－２２ 中间层 １４０－１５０ ５５ １７－２０ ５０ ２２～２３ 表层 １１０－１２５ ５５ １６～１８ ５０ ２１－２２ ２．６焊后处理 焊接结束后，用石棉被包裹焊区，保温４ ｈ以上；焊接 １０ ｈ后，用工频加热器进行６５０～７００℃回火处理；打碎石 墨衬垫。 ３实验及应用 ３．１室内试验 按照以上焊接工艺焊接的钻铤经检测，达到了如下技术 指标：焊接接头抗拉强度ｌ＞７２４ＭＰａ；焊接接头最薄弱截面上 ３个试样冲击功平均值≥２１ Ｊ，单个试样冲击功≥１６ Ｊ；晶粒 度高于６级；夹杂物（氧化物＋硫化物）小于２．５级。 ３．２现场应用情况 近几年来，油田钻井管具工程处采用钻铤窄间隙ＭＩＧ 脉冲气体保护自动焊工艺焊接了钻铤３００余根，在不同的 井深中得到了应用。在使用中分别采用了不同的机械钻 速、不同的钻压、泵压和不同的钻井液密度。井下钻铤未 出现任何异常情况，钻铤焊区及热影响区性能良好，耐冲 蚀，经得起井下复杂情况下交变应力的作用。完井回收 后，经超声波探伤检验，焊区无异常。 ４结论 窄间隙焊是近２０年来在厚壁结构中采用较多的焊接 方法，目前窄间隙焊所采用的工艺方法有埋弧焊、钨极氩 弧焊以及熔化极氩弧焊。钻铤类工件的直径小，采用埋弧 焊时焊剂和铁水容易流失而不适用；由于钨极氩弧焊的 焊接生产效率低而未被选用；熔化极氩弧焊的生产效率 高但电弧控制有一定的难度，采用脉冲电流控制电弧和 熔滴过渡可提高电弧的稳定性和降低焊接热输人，达到 改善焊接接头力学性能的目的。 以前的弧焊电源大多数采用的控制方法，在焊接程 序控制方面是继电器控制或继电器与半导体（包括晶体 管与可控硅）延时器混合控制；在焊接规范控制方面则 用半导体电路进行控制，早期全部采用分立元件，后来 由于半导体集成电路元器件的发展，逐渐采用线性集成 组件（或称集成运算放大器），现在已经 （下转第５３页） 维普资讯 http://www.cqvip.com 工艺与装备 用鼠标左键拾取上模ＵｐｐｅｒＤｉｅ下表面上的一个点 Ｐ１，拾取下模ＬｏｗｅｒＤｉｅ上表面的一个点Ｐ２，然后设置运行 控制，设置冲击结束时点Ｐ 和Ｐ２的距离为２０ｒａｍ或５ｒａｍ （制坯时为２０ｒａｍ，预锻和成形为５ｒａｍ）。 ２．２汽车转向节成形阶段模拟过程 汽车转向节的常规工艺路线为拔长一压扁一劈口 一预锻一成形。 ２．２．１ ＥＱ１５３型汽车转向节常规成形工艺模拟 （ａ）优化前预锻件 （ｂ）优化后预锻件 对ＥＱ１５３型汽车转向节常规成形工艺各变形阶段模 图２优化前后ＥＱ１５３型汽车转向节成形工艺模拟结果对比 拟，可以得到劈口金属流动、劈口金属于模具距离、劈口 ３模拟结果的实验验证 等效应力、预锻工件温度等各变形影响因素在变形体内 根据模拟的结果，对生产ＥＱ１５３汽车转向节的成形模具 的分布。 进行改造，改造后的模具已在山东光岳转向节总厂应用于 分析劈口工序的工件与模具之间接触距离图，可以看 大批量生产，年产量为５万件，每年可节省原材料４４ ０００ｋｇ。 到制坯件成形杆部有充不满的现象。通过分析，可能是由 ４结束语 于在压扁工序中压扁的长度太短而造成的，故在下一次 采用数值模拟软件Ｓｕｒｐｅｒｆｏｒｇｅ对ＥＱ１５３汽车转向节 模拟过程中可以增加压扁长度，使劈口工序中成形杆部 成形过程进行模拟优化，对其锻造工艺的改进，达到了预 的部分能够充满。 期的效果。实践证明，利用数值模拟技术改造传统的锻造 ２．２．２劈口工艺的优化模拟及结果分析 工艺，是一种切实可行的新方法，值得大力推广。 通过对常规成形工艺的模拟，找到了造成成形杆部的 不能充满的原因，改变压扁工序中的压扁长度，重新对成 Ｃａｅ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｆｏｒｇｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏ－ 形工序进行模拟，得到如下结果 ｂｉｌｅ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ Ｋｎｕｃｋｌｅ 可以发现通过增加压扁长度，使得劈口工序中杆部充 ＳＯＮＧ Ｌａｉｐｅｎｇ 不满的问题得到解决。另外，从该次模拟得到的预锻件可 （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， 以看到预锻件杆部飞边尺寸明显过大，分析原因可能是 Ｊｉｎａｎ，２５００６１） 由于制坯模具设计不合理造成坯料分配不均而造成的， Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ 故在下一次模拟中应采取措施使坯料分配更加合理，以 ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｋｎｕｃｋｌｅ，ａ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｔｓ ｆｏｒｇｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ 达到节约原材料的目的。调整后重新对变形过程进行模 ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｍｍｅｒｃｉｌａ ＦＥＭ ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｓｕ￣ｅｆｆｏｒｇｅ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ 拟，同样可以得到各变形影响因素分布。 ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｄｉｅ ｆｏｒｇｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｂｏｔｈ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｔ ａｃｃｕ— ｒａｃｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｉｎｉｍｉｚｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｒａｗ ｍａｔｅｒｉｌａ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｔａｋｅｎ ｉｎｔｏ ｃｏｎ— 通过以上分析得到下列结果，对比成形样件的形状， ｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ．ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ．Ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｈａｖｅ 可以看出改进以后的成形件比改进以前的成形件的飞边 ｂｅｅｎ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｓｓｉｓｔｎａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ，ｗｈｉｃｈ 尺寸小了很多，圆钢由原来的 １２０×３３２变为 １２０× ｈａｖｅ ｗｏｒｋｅｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｍａｎｕｆｃａｔｕｒｅ． ３２２，节约原材料０．８８Ｋｇ。 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆ ｎｇ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ （上接第１６页）开始采用基于ＰＬＣ的控制。通过ＰＬＣ程 Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｎａｒｒｏｗ Ｇａｐ ＭＩＧ Ｐｕｌｓａｔｉｎｇ Ｗｅｌｄｅｒ 序控制和伺服电机驱动及数字控制系统等，能显著提高 ＳＵＮ Ｓｈｅｎｇｗｅｉ，ＳＵＮ Ｙｏｎｇｘｉｎｇ，ＦＡＮ Ｚｈｅｎｈｏｎｇ，Ｊｉｎａｇ Ｓｈｕｙｉｎｇ 焊接装备的自动化程度，确保连续自动焊过程中的焊接 （Ｃｈｉｎａ ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ，Ｄｏｎｇｙｉｎｇ ２５７０６１） 质量。 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｄｉｉｇｔｌａ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＬＣ ｆｏｒ ｎａｒｒｏｗ ｇａｐ ＭＩＧ ｐｕｌｓａｔｉｎｇ ｗｅｌｄｅｒ ｉｓ 参考文献 ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｗｅ ｈａｖｅ ｄｅｓｉｎｇｅｄ ｓｐｅｃｉｌａ ｗｅｌｄｉｎｇ ｔｏｒｃｈ ｕｓｉｎｇ ｏｆｒ ｔｈｉｓ ｐｒｏｊｅｃｔ．Ｔｈｅ ｄｉｆｉｆｃｕｌｔｙ ｏｆ ｕｎ－ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｏｔｈ ｊａｍｂ ［１］日本焊接学会．窄间隙焊接［Ｍ］尹士科，王振家，译Ｅ．北 ｗａｌｌｓ ｃａｎ ｂｅ ｓｏｌｖｅｄ．Ｔｈｅ ｗｅｌｄｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｇｏｏｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ， 京：机械工业出版社，１９８８年 ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ａｄａｐｔａｂｉｌｉｙｔ，ａｎｄ ｍａｎｙ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｗｅｌｄｉｎｇ ［２］自钢，朱余荣，马彩霞，等．窄间隙焊采用脉冲旋转射流过渡 ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｐｒｅｓｅｔｉｔｎｇ，ｍｅｍｏｒｙ，ｌｏｃｋｉｎｇ，ｄｉｓｐｌａｙ，ａｎｄ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ａｒＣ ＭＡＧ焊技术的开发［Ｊ】焊接技术，１９８８ ｓｔｒｉｃｋｉｎｇ ａｎｄ ｓｔｏｐｐｉｎｇ． ［３］吴启东．窄问隙钨极焊接电弧的磁场控制Ⅲ焊接学报，１９８３年 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＲＲ１ＴＯＷ ｇａｐ ｗｅｌｄｅｒ，ＭＩＧ—ｗｅｌｄｉｎｇ，ＰＬＣ ｃｏｎｔｒｏｌ， ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｏｕｒｃｅ
